李曉濤,袁嫣紅,張 濤
(1.浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018;2.中捷縫紉機(jī)股份有限公司,浙江臺(tái)州 317600)
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電腦刺繡機(jī)壓腳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
李曉濤1,袁嫣紅1,張濤2
(1.浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018;2.中捷縫紉機(jī)股份有限公司,浙江臺(tái)州 317600)
為解決現(xiàn)有電腦刺繡機(jī)機(jī)頭壓腳在工作時(shí)會(huì)與其他零件產(chǎn)生碰撞的問題,對(duì)現(xiàn)有電腦刺繡機(jī)壓腳的工作原理進(jìn)行分析,找出碰撞產(chǎn)生的原因,運(yùn)用復(fù)數(shù)矢量法和Matlab聯(lián)合求解壓腳運(yùn)行規(guī)律。在保持壓腳運(yùn)行規(guī)律不變的情況下提出了盤式凹槽凸輪和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)配合驅(qū)動(dòng)壓腳的改進(jìn)設(shè)計(jì),利用反轉(zhuǎn)原理用解析法求解凸輪輪廓曲線。改進(jìn)的壓腳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)消除了機(jī)頭壓腳與其他零件的碰撞,降低了機(jī)架振動(dòng)滿足高速化的技術(shù)要求。
電腦刺繡機(jī);機(jī)頭;壓腳;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);改進(jìn)設(shè)計(jì);凸輪
電腦刺繡機(jī)工作時(shí),機(jī)架的振動(dòng)是影響刺繡機(jī)刺繡精度以及限制刺繡機(jī)高速化的主要因素,而刺繡機(jī)機(jī)頭是刺繡機(jī)機(jī)架振動(dòng)的主要激振源。電腦刺繡機(jī)機(jī)頭在工作時(shí),完成的動(dòng)作分別是:挑線桿的挑線、針桿的刺布、壓腳的上下,其中壓腳的上下動(dòng)作起到防止繡針抬起時(shí)布料被帶起的作用。目前常用機(jī)頭在實(shí)現(xiàn)壓腳上下動(dòng)作時(shí),由于壓腳驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)上的缺陷,壓腳在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)會(huì)與針桿以及針桿箱各產(chǎn)生一次碰撞。兩次碰撞對(duì)機(jī)架以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸形成了沖擊載荷,多個(gè)機(jī)頭沖擊載荷的疊加加劇了機(jī)架的振動(dòng),同時(shí)也造成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸載荷的周期性波動(dòng),影響刺繡機(jī)工作的穩(wěn)定性,降低刺繡精度,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)器壽命都造成了不利影響。同時(shí),兩次碰撞也是電腦刺繡機(jī)工作中噪聲的主要來源之一。對(duì)壓腳的驅(qū)動(dòng)方式加以改進(jìn),以消除沖擊載荷、降低噪音,這對(duì)提高機(jī)器性能非常重要。
目前,國內(nèi)針對(duì)電腦刺繡機(jī)的研究工作主要圍繞提高刺繡機(jī)生產(chǎn)效率和提高刺繡機(jī)刺繡產(chǎn)品精度兩方面主題展開,研究內(nèi)容包括:對(duì)刺繡機(jī)機(jī)架的振動(dòng)分析及機(jī)架的改進(jìn)設(shè)計(jì)[1-7],對(duì)電腦刺繡機(jī)機(jī)頭刺布機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-10],對(duì)刺繡機(jī)機(jī)頭挑線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)[11-15],但缺乏針對(duì)壓腳驅(qū)動(dòng)方式的分析研究工作。壓腳作為機(jī)架沖擊載荷的產(chǎn)生源之一,它的研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)刺繡機(jī)高速化以及提高產(chǎn)品精度有著不可或缺的作用。
本文通過對(duì)電腦刺繡機(jī)機(jī)頭工作原理的分析,分析現(xiàn)有電腦刺繡機(jī)壓腳驅(qū)動(dòng)方式的工作原理以及碰撞形成原因,并運(yùn)用復(fù)數(shù)矢量法和Matlab相結(jié)合的方法,對(duì)壓腳所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析計(jì)算,在此基礎(chǔ)上提出了壓腳驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)設(shè)計(jì),并對(duì)改進(jìn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。
1.1電腦刺繡機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)組成
電腦刺繡機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)是大跨距橫梁結(jié)構(gòu)。圖1為中捷大宇機(jī)械有限公司某型號(hào)40頭平繡機(jī)模型圖,刺繡機(jī)機(jī)頭安裝在橫梁的一側(cè),并且由同一根驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。
圖1 40頭平繡機(jī)模型
電腦刺繡機(jī)機(jī)頭是刺繡機(jī)刺繡動(dòng)作的主要執(zhí)行部件,也是刺繡機(jī)大梁的激振載荷的主要產(chǎn)生源,它主要由機(jī)頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和針桿箱兩部分組成。圖2為中捷大宇機(jī)械有限公司六針平繡機(jī)頭模型的左視圖。機(jī)頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)挑線桿挑線以及針桿的刺布,壓腳上下動(dòng)作由針桿和針桿箱以及針桿箱中的彈簧配合實(shí)現(xiàn)。
1.機(jī)頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.針桿箱 3.壓腳圖2 六針平繡機(jī)機(jī)頭模型左視圖
1.2電腦刺繡機(jī)機(jī)頭壓腳工作原理
在工作中,電腦刺繡機(jī)壓腳隨著針桿升起和下降,在壓腳上升時(shí)布料移動(dòng),壓腳下降時(shí)刺繡,保護(hù)線跡防止針桿抬起時(shí)布料被帶起。因此,電腦刺繡
機(jī)壓腳是實(shí)現(xiàn)刺繡工作、提高刺繡品質(zhì)不可缺少的部件。刺繡機(jī)機(jī)頭內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成模型如圖3所示。壓腳和針桿一起安裝針桿箱內(nèi),在機(jī)頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中偏心輪1、偏心連2桿以及三眼連桿3形成曲柄搖桿機(jī)構(gòu),三眼連桿3、小連桿4以及在滑軸6上滑動(dòng)的滑塊5組成搖桿滑塊機(jī)構(gòu),兩機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)對(duì)針桿刺布動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)。上彈簧8和下彈簧9對(duì)針桿7和壓腳10進(jìn)行初始定位,下彈簧9與針桿7相互配合形成刺繡時(shí)壓腳的運(yùn)動(dòng)。
1.偏心輪 2.偏心輪連桿 3.三眼連桿 4.小連桿 5.滑塊 6.滑軸 7.針桿 8.上彈簧 9.下彈簧 10.壓腳 11.針桿箱圖3 電腦刺繡機(jī)機(jī)頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)
在電腦刺繡機(jī)的一個(gè)工作周期內(nèi),針桿7從初始位置開始時(shí)向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)下彈簧9推動(dòng)壓腳10向下運(yùn)動(dòng),壓腳在向下運(yùn)動(dòng)的過程中與針桿箱11發(fā)生碰撞,然后停止不再移動(dòng),針桿7繼續(xù)向下完成刺布動(dòng)作。針桿7回位時(shí),針桿7與壓腳10發(fā)生碰撞,帶動(dòng)壓腳10向上運(yùn)動(dòng)回到初始位置。針桿運(yùn)動(dòng)過程的機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示,f點(diǎn)和g點(diǎn)為兩次碰撞發(fā)生位置,箭頭代表針桿運(yùn)動(dòng)方向。
1.針桿 2.上彈簧 3.下彈簧 4.壓腳 5.針桿箱 6.臺(tái)板圖4 壓腳運(yùn)動(dòng)示意
壓腳與臺(tái)板之間始終存在較大間隙,即使在生產(chǎn)中兩者之間存在布料的情況下布料對(duì)壓腳的作用力依然很小,因此在分析中忽略臺(tái)板對(duì)壓腳的作用力。在實(shí)際生產(chǎn)中,為了減小這一沖擊載荷對(duì)機(jī)架的影響,在兩個(gè)碰撞位置安裝有橡膠墊,但是這種改進(jìn)措施可以減輕卻不能消除沖擊載荷。當(dāng)刺繡機(jī)轉(zhuǎn)速提升或機(jī)頭數(shù)增多時(shí),這一沖擊載荷對(duì)機(jī)架以及對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸造成的影響更為嚴(yán)重,同時(shí)也加劇了碰撞產(chǎn)生的噪聲。
本文以電腦刺繡機(jī)原始?jí)耗_機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,在保持原來壓腳運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下,提出壓腳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。壓腳在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為三部分:第一部分為壓腳發(fā)生第一次碰撞之前,此階段壓腳與針桿同步運(yùn)動(dòng);第二部分是為第一次碰撞與第二次碰撞之間,壓腳保持靜止;第三部分為第二次碰撞之后,壓腳又與針桿同步運(yùn)動(dòng)。只要分析出針桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性就可以得出壓腳在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
2.1復(fù)數(shù)矢量法分析壓腳運(yùn)動(dòng)
電腦刺繡機(jī)機(jī)頭內(nèi)部各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)屬于平面運(yùn)動(dòng)范疇,根據(jù)機(jī)頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)畫出刺繡機(jī)機(jī)頭的機(jī)構(gòu)簡圖,如圖5所示,O1點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心,O2點(diǎn)為三眼連桿與機(jī)殼組成轉(zhuǎn)動(dòng)副旋轉(zhuǎn)中心。
圖5 刺繡機(jī)機(jī)頭機(jī)構(gòu)簡圖
在圖5中,首先對(duì)偏心輪、偏心連桿、三眼連桿組成的四連桿機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)在O1點(diǎn),方向如圖所示,該四連桿矢量方程式可表示為[16]:
l1+l2=l3+l4.
以復(fù)數(shù)形式可表示為:
l1eiφ1+l2eiφ2=l4+l3eiφ3.
規(guī)定角φ以x軸的正方向逆時(shí)針方向?yàn)檎8鶕?jù)歐拉公式可得:
=l4+l3(cosφ3+isinφ3),
(1)
其中:A=l4-l1cosφ1,B=-l1sinφ1,
再對(duì)三眼連桿、小連桿、滑塊組成的擺桿滑塊機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)在O2點(diǎn),方向如圖5所示,該擺桿滑塊的矢量方程可表示為:
l5+l6=l7,
即:
l5+l6=a+h,
可得出方程組:
其中:α為偏心輪旋轉(zhuǎn)中心和三眼連桿旋轉(zhuǎn)中心連線與y2負(fù)方向的夾角。得到滑塊的位移h與φ3的函數(shù)關(guān)系式h=f2(φ3):
則壓腳在x2y2坐標(biāo)系中位移h1為:
l5cos(α3+α)-H1
(2)
式(1)與式(2)結(jié)合可得出壓腳位移與主軸旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。
2.2求解壓腳位移曲線
設(shè)滑塊處于最高位置時(shí)為機(jī)頭一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的初始位置,此時(shí)l1與l2成180°角,即偏心輪與偏心連桿在一條直線上。通過實(shí)際尺寸計(jì)算可得,初始位置時(shí)φ1為-210.65°,φ1在一個(gè)周期內(nèi)的變化范圍為-210.65°~149.35°。壓腳發(fā)生碰撞發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)軸的角度大小取決于壓腳的尺寸,通過實(shí)際測量得到第一次碰撞發(fā)生時(shí)φ1為-92°,第二次碰撞發(fā)生時(shí)φ1為37.5°。
運(yùn)用Matlab軟件對(duì)壓腳位移曲線進(jìn)行編程求解,其中φ1的變化范圍為-210.65°~149.35°,l1=9mm,l2=51mm,l3=25mm,l4=49.04mm,l5=56.33mm,l6=21mm,a=54.5mm,α=20.28°,H1=43.78mm。坐標(biāo)系選取x2y2坐標(biāo),如圖5所示,求解得到的壓腳位移隨φ1變化的曲線如圖6所示。
圖6 基于Matlab求解的壓腳位移曲線
通過對(duì)成本以及空間位置的綜合分析,采用了盤式凹槽凸輪機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)配合,以改進(jìn)壓腳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。盤式凹槽凸輪輪廓線限定了壓腳的位移,避免兩次碰撞的發(fā)生,其中盤式凸輪與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸同軸,畫出盤式凸輪驅(qū)動(dòng)壓腳運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖7所示,O1、O2點(diǎn)位置與圖5相同。
圖7 新型壓腳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡圖
改進(jìn)設(shè)計(jì)采用滾子擺動(dòng)從動(dòng)件,擺動(dòng)從動(dòng)件在繞O2點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),擺動(dòng)從動(dòng)件10的另一端9又作為搖桿和連桿8以及壓腳滑塊形成搖桿滑塊機(jī)構(gòu),壓腳滑塊帶動(dòng)壓腳形成壓腳的運(yùn)動(dòng)。壓腳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)得出,在根據(jù)壓腳運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解凸輪輪廓線的過程中,為防止尖點(diǎn)帶了的速度突變造成沖擊,用多項(xiàng)式對(duì)原始?jí)耗_運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行修正,得到的壓腳位移修正曲線如圖8所示。
圖8 修正壓腳位移曲線
在圖7中建立與圖5相同的坐標(biāo)系x1y1,x2y2,規(guī)定以x軸的正方向逆時(shí)針方向?yàn)檎8與x2軸正方向形成的角度為ε,l9與x2軸正方向形成的角度為δ,擺動(dòng)從動(dòng)件與x1的夾角為γ??梢缘玫綇?fù)數(shù)向量方程為:
l9+l8=a+h′.
根據(jù)歐拉公式可得出:
得到δ與h′的函數(shù)關(guān)系式為:
Δδ=Δγ.
在以O(shè)1為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系內(nèi),設(shè)當(dāng)壓腳處在最高位置時(shí)為初始狀態(tài),此時(shí)φ1=-210.65°。如圖5所示,從動(dòng)件滾子與凸輪最大半徑點(diǎn)接觸,此時(shí)γ角度為γ0,轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度為φ=φ1+210.65,轉(zhuǎn)過φ角度后γ角的變化量為Δγ,凸輪基圓半徑和滾子半徑之和為r0,根據(jù)反轉(zhuǎn)原理求解凸輪輪廓線,則從動(dòng)件滾子中心形成的凸輪軌跡線上的點(diǎn)在坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為:
從動(dòng)件初始角度γ0為:
根據(jù)機(jī)殼內(nèi)部空間的大小,取一組機(jī)構(gòu)尺寸,運(yùn)用Matlab進(jìn)行求解,取r0=12mm,l8=20mm,l9=50mm,l10=40mm得出凸輪輪廓曲線如圖9所示,O為旋轉(zhuǎn)中心。
圖9 壓腳凸輪輪廓曲線
本文對(duì)原來電腦刺繡機(jī)壓腳進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,運(yùn)用復(fù)數(shù)向量法和Matlab結(jié)合分析求解壓腳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合可行性成本,提出了利用盤式凹槽凸輪和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)配合驅(qū)動(dòng)壓腳的改進(jìn)設(shè)計(jì)方式。為了去除利用原始?jí)耗_運(yùn)行規(guī)律求解凸輪曲線存在的尖點(diǎn),對(duì)原始?jí)耗_運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了修正,采取了參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法,提出了改進(jìn)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)能夠滿足不同型號(hào)不同機(jī)構(gòu)尺寸的機(jī)頭的設(shè)計(jì)要求,最后利用Matlab軟件分析求解出了凸輪輪廓線。
壓腳驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)較原來的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比,消除了兩次沖擊載荷的產(chǎn)生,減小了激振力引發(fā)的機(jī)架的振動(dòng),使得驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩更加平穩(wěn),提高了電腦刺繡機(jī)工作的穩(wěn)定性。同時(shí)降低了機(jī)器工作的噪聲,改善了機(jī)器工作的性能。該設(shè)計(jì)為電腦刺繡機(jī)高速、高精度、低噪聲的技術(shù)發(fā)展提供了新的思路。
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(責(zé)任編輯: 康鋒)
Design Improvements for Driving Mechanism of Presser Foot of Computerized Embroidery Machine
LIXiaotao1,YUANYanhong1,ZHANGTao2
(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Machinery and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2. ZOJE Sewing Machine Co., Ltd., Taizhou 317600, China)
The presser foot of existing computerized embroidery machine collides with other parts when working. To solve the problem, firstly we analyzed the working principle of the presser foot of computer embroidery machine, and found the reason for collision. Then, based on complex-number vector method and the software of Matlab, operating law of the presser foot was obtained . The design improvements of drive presser foot by using disc groove cam and swinging block mechanism was put forward on the premise of keeping the operating law of presser foot unchanged. Then we got the profile curve of the cam by using analytical method based on the principle of reverse. The improved design of drive presser foot eliminates the collision of head presser foot and other parts, reduces the rack vibration, and satisfies the high-speed technical requirements.
computerized embroidery machine; heads of computerized embroidery machine; presser foot; driving mechanism; design improvements; cam
10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.013
2015-04-17
現(xiàn)代紡織設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2009R50018)
李曉濤(1989-),男,河南林州人,碩士研究生,主要從事現(xiàn)代紡織設(shè)備方面的研究。
袁嫣紅,E-mail:yyh@zstu.edu.cn
TH112.2
A
1673- 3851 (2016) 02- 0232- 06 引用頁碼: 030501